1. Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Pesquisas Hidrulicas Programa de Ps-Graduao em Recursos Hdricos e Saneamento AmbientalOtimizao para Controle de Alagamentos Urbanos: Aplicao na Bacia Hidrogrfica da Vila Santa Isabel em Viamo, RSDISSERTAO DE MESTRADOAnelise Nardi Hffner Orientador: Prof. PhD. Carlos Andr Bulhes MendesPorto Alegre, Junho de 2013

2. Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Pesquisas Hidrulicas Programa de Ps-Graduao em Recursos Hdricos e Saneamento AmbientalOtimizao para Controle de Alagamentos Urbanos: Aplicao na Bacia Hidrogrfica da Vila Santa Isabel em Viamo, RSDissertao de Mestrado submetida ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia de Recursos Hdricos e Saneamento Ambiental da Universidade Federal do Rio Grande do SulAnelise Nardi Hffner Orientador: Prof. PhD. Carlos Andr Bulhes MendesBanca Examinadora: Prof. Dr. Andr Luiz Lopes da Silveira IPH/UFRGS Prof. PhD. Geraldo Lopes da SilveiraGERHI/UFSMProf. PhD. Joel Avruch GoldenfumIPH/UFRGSPorto Alegre, Junho de 2013 ii 3. Quem nada conhece nada ama Quem nada pode fazer nada compreende Quem nada compreende nada vale Mas quem compreende tambm ama, observa e v Quanto maior o conhecimento inerente numa coisa, tanto maior o amor Aqueles que imaginam que todos os frutos amadurecem ao mesmo tempo, como as cerejas, porque nada sabem acerca das uvas. Paracelsoiii 4. Agradecimentos Ao meu Orientador, professor Carlos Andr pela ideia inicial do trabalho e por me ajudar a criar casca. Aos demais professores pelos ensinamentos, pacincia e dedicao. CAPES pela concesso da bolsa de estudos. Aos meus pais e irmo pelo apoio, incentivo e carinho quando eu precisei. AosamigosFernando,RosaneeTirzahpeloauxlioeapoionodesenvolvimento do trabalho, por ouvirem minhas lamentaes e por me motivarem a continuar e finalizar o estudo. Aos amigos da Sala de Planejamento, em especial: Ester, Ju, Rosane, Thomaz, pelo companheirismo extra-IPH e por me aturarem. Aos amigos e colegas que iniciaram o Mestrado comigo. Ao pessoal da sala de caf, pela boa convivncia, conversas e risadas. Aos amigos que, mesmo distncia (e so muitos), me acompanharam at aqui. A todos que, mesmo no sendo citados, contriburam de forma efetiva na construo deste trabalho.iv 5. Resumo O crescimento rpido e descontrolado da urbanizao, principalmente nos pases em desenvolvimento, vem provocando impactos significativos tanto no meio ambiente quanto para a prpria populao. A existncia de reas altamente impermeabilizadas traz como consequncia o aumento do volume escoado superficialmente, causando aumento nas vazes mximas de at seis vezes a vazo de pr-urbanizao. Surge, ento, a necessidade de alternativas que solucionem ou reduzem os problemas relacionados ao aumento do volume escoado, no somente que os transfira para outro local. Neste sentido, pode-se aplicar as Melhores Prticas de Gesto (Best Management Practices BMPs), medidas que servem no gerenciamento das guas pluviais em reas urbanas, destacando-se os reservatrios de deteno. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo desenvolver um mtodo para avaliar a minimizao do impacto hidrolgico de uma bacia urbanizada para que ela se comporte de maneira hidrologicamente semelhante s condies de pr-urbanizao, analisando os custos de implantao de bacias de deteno para evitar alagamentos jusante. Para isso, fez-se uso de simulao hidrolgica com modelo IPHS1 para determinao dos hidrogramas de sada dos afluentes da bacia estudada. O dimensionamento dos reservatrios foi realizado com a aplicao do mtodo da curvaenvelope e a escolha dos melhores locais para implantao deu-se a partir da anlise dos hidrogramas. Com isso, ajustaram-se funes do tipo Qp=f(V). Estas funes foram utilizadas no modelo de otimizao no-linear, considerando-se diferentes restries de custo. A rea de estudo corresponde bacia hidrogrfica Me Dgua, de 3,39 km, localizada na Vila Santa Isabel no municpio de Viamo/RS. Os resultados mostraram que a aplicao de uma tcnica de otimizao associada a um modelo hidrolgico mostrou-se til na avaliao dos custos de projetos de controle do escoamento pluvial (bacias de deteno) urbano para a bacia estudada, podendo servir como material de consulta para o Poder Pblico e Privado. Alm disso, mesmo sem disponibilidade de dados hidrolgicos observados e informaes mais detalhadas acerca do processo de urbanizao da rea de estudo, possvel, atravs da aplicao da metodologia apresentada, desenvolver cenrios para anlise do aumento da zona urbana e quantificao do impacto hidrolgico, para que assim o problema identificado seja minimizado. Palavras Chave: Urbanizao. Bacias de deteno. Simulao Hidrolgica. Otimizao. Bacia Me Dgua.v 6. Abstract The rapid and uncontrolled urbanization, especially in developing countries, has led to significant impacts on both the environment and people themselves. The existence of highly impermeable areas brings as consequence the increase in surface runoff volume, causing an increase in peak flows up to six times the pre-urbanization flow. This requires thus, the need of alternatives to solve or reduce the problems related to the increased volume disposed, and not only transferring it to another location. In this context, the Best Management Practices (BMPs) can be implemented, which are measures for managing storm water in urban areas as, for example, the detention reservoirs. Thus, this work aims to develop a method to evaluate the hydrological impact minimization of an urbanized basin, so that it can behave hydrologically similar to pre-urbanization conditions, analyzing deployment costs of detention basins to prevent flooding downstream. Hence, a hydrologic simulation model with IPHS1 has been used to determine the studied basin tributaries output hydrographs. The reservoirs sizing was evaluated with the application of the Envelope-Curve Method and the choice of the best localizations for their implantation was done by analyzing the hydrographs. Therefore, functions as Qp=f (V) were fitted. These functions were used in the nonlinear optimization model considering different costs constraints. The study area represents the Me Dgua watershed, with 3,39 km, located at Vila Santa Isabel in Viamo/RS. The results showed that the application of an optimization technique associated with a hydrological model has proven to be useful in storm water runoff control projects costs evaluation (detention basins) for the urban study area and may serve as reference material for Government and Private institutions. Moreover, even without the availability of observed hydrological data and detailed information about the process of urbanization in the study area, it is possible, through the application of the presented methodology, to develop scenarios for analyzing the urban zone expansion and quantification of hydrological impact, in order to minimize the identified problem. Key Words: Urbanization. Detention basins. Hydrologic Simulation. Optimization. Me Dgua Watershed.vi 7. SUMRIO DEDICATRIA...................................................................................................III AGRADECIMENTOS.........................................................................................IV RESUMO............................................................................................................V ABSTRACT.......................................................................................................VI LISTA DE FIGURAS..........................................................................................IX LISTA DE TABELAS........................................................................................XII LISTA DE SIGLAS...........................................................................................XIII 1Introduo ................................................................................................... 1 1.1 1.22Relevncia do estudo ............................................................................ 3 Objetivo e hiptese................................................................................ 4Fundamentao terica............................................................................... 5 2.1Impactos ambientais em bacias urbanas .............................................. 52.2Medidas de controle de escoamento em bacias urbanas ..................... 82.3Reservatrios de deteno ................................................................. 112.3.1Dimensionamento de reservatrios de deteno.......................... 152.3.2Uso de reservatrios de deteno na cidade de Porto Alegre, RS .......................................................................................................212.4 3Tcnicas de Otimizao aplicadas drenagem urbana ...................... 22Metodologia............................................................................................... 26 3.1Caracterizao fsica da bacia hidrogrfica para aplicao dametodologia .................................................................................................. 27 3.1.1Caractersticas morfolgicas ........................................................ 273.1.2Uso do solo ................................................................................... 283.2Detreminao do impacto hidrolgico ................................................. 293.2.1Definio do impacto hidrolgico .................................................. 293.2.2Obteno do parmetro Curve Number (CN) ............................... 303.2.3Clculo do tempo de concentrao .............................................. 31 vii 8. 3.2.4 3.3Simulao hidrolgica................................................................... 32Cenrio de controle de cheias............................................................. 343.3.1Escolha das bacias de deteno .................................................. 343.3.2Escolha dos locais para implantao dos reservatrios: .............. 343.3.3Dimensionamento dos reservatrios ............................................ 353.3.4Combinao das alternativas de reservatrios ............................. 393.4Modelo de otimizao ......................................................................... 403.4.1Funo objetivo: ........................................................................... 403.4.2Restries: .................................................................................... 414Descrio da rea de estudo .................................................................... 435Resultados e Discusso ............................................................................ 49 5.1Determinao do impacto hidrolgico ................................................. 495.2Cenrio de controle de cheias............................................................. 545.2.1Escolha dos locais para implantao............................................ 545.2.2Combinao das alternativas ....................................................... 585.3Modelo de otimizao ......................................................................... 656Consideraes finais e Recomendaes .................................................. 767Referncias bibliogrficas ......................................................................... 79viii 9. LISTA DE FIGURAS Figura 2.1: Esquema conceitual de avaliao de impacto ambiental (Wathern, 1988) .................................................................................................................. 5 Figura 2.2: Evoluo da urbanizao em reas urbanas (Fonte: Tucci, 1999; Batista et al., 2005) ............................................................................................ 6 Figura 2.3: Transformao do ambiente pela urbanizao (Tucci,2007, adaptado de Schueler,1987) .............................................................................. 6 Figura 2.4: Impactos hidrolgicos causados pela urbanizao (adaptado de Hall, 1984 apud Porto et al., 2009) .................................................................... 8 Figura 2.5: Efeito do reservatrio de deteno (Fonte: Tucci, 2007)................ 12 Figura 2.6: Reservatrio de deteno (Fonte: Maidment, 1993) ...................... 13 Figura 2.7: Bacia de deteno on-line Parque Germnia, Porto Alegre, RS (Fonte: Arquivo pessoal) .................................................................................. 14 Figura 2.8: Bacia de deteno off-line Ecoville, Porto Alegre, RS (Fonte: Arquivo pessoal)............................................................................................... 14 Figura 2.9: Curvas IDF para a cidade de Porto Alegre, RS (Fonte: Tucci, 2009 apud DMAE, 1972) ........................................................................................... 18 Figura 2.10: Relao do volume a armazenar/volume de escoamento e vazo de pico de sada/vazo de pico de entrada (Fonte: Silva 2009 adaptado de NRCS, 1986) .................................................................................................... 20 Figura 3.1: Fluxograma metodolgico .............................................................. 27 Figura 3.2: Exemplo de impacto hidrolgico..................................................... 30 Figura 3.3: Mtodo da curva-envelope ............................................................. 36 Figura 3.4: Estimativa de do custo (R$) em funo do volume do reservatrio (m) ................................................................................................................... 40 Figura 4.1: Localizao da rea de estudo ...................................................... 43 Figura 4.2: Caractersticas fsicas das sub-bacias ........................................... 44 Figura 4.3: Situao anterior construo da barragem Me Dgua (provavelmente em 1960) (Fonte: Fujimoto, 2001). ......................................... 45 Figura 4.4: Situao da Barragem Me dgua aps o preenchimento do lago, em 1963 (Fonte: Fujimoto, 2001) ..................................................................... 46 Figura 4.5: Mapa ambiental urbano (Fonte:Fujimoto, 2001) . .......................... 47 Figura 5.1: Sub-bacias da rea de estudo.........................................................49 ix 10. Figura 5.2: Percentuais dos tipos de uso do solo Cenrio de pr-urbanizao ......................................................................................................................... 50 Figura 5.3: Percentuais dos tipos de uso do solo Cenrio de Urbanizao .. 50 Figura 5.4: Parmetro CN Cenrios de pr-urbanizao e urbanizao ....... 52 Figura 5.5: Impacto hidrolgico ........................................................................ 54 Figura 5.6: Localizao dos reservatrios ........................................................ 55 Figura 5.7: Combinao das alternativas de alocao dos reservatrios de amortecimento T=10 anos............................................................................. 59 Figura 5.8: Combinao das alternativas de alocao dos reservatrios de amortecimento T=25 anos............................................................................. 59 Figura5.9:Melhoresalternativasdealocaodosreservatriosdeamortecimento T=10 anos............................................................................. 60 Figura 5.10: Volumes armazenados em cada afluente Volume x Custo (T=10 anos) ................................................................................................................ 60 Figura 5.11: Volumes armazenados em cada afluente Volume x dQ (T=10 anos) ................................................................................................................ 61 Figura 5.12: Melhores alternativas de alocao dos reservatrios de amortecimento T= 25 anos............................................................................ 62 Figura 5.13: Volumes armazenados em cada afluente Volume x Custo (T=25 anos) ................................................................................................................ 63 Figura 5.14: Volumes armazenados em cada afluente Volume x dQ (T= 25 anos) ................................................................................................................ 64 Figura 5.15: Reservatrios de amortecimento com menor dQ T=10 anos .... 64 Figura 5.16: Reservatrios de amortecimento com menor dQ T=25 anos .... 65 Figura 5.17: Funo ajustada Reservatrio 1................................................ 66 Figura 5.18: Funo ajustada - Reservatrio 3 ................................................ 66 Figura 5.19: Funo ajustada Reservatrio 5................................................ 67 Figura 5.20: Funo ajustada Reservatrio 6................................................ 67 Figura 5.21: Funo ajustada Reservatrio 1................................................ 68 Figura 5.22: Funo ajustada Reservatrio 3................................................ 68 Figura 5.23: Funo ajustada Reservatrio 5................................................ 68 Figura 5.24: Funo ajustada Reservatrio 6................................................ 69 Figura 5.25: Avaliao da dQ x custo de implantao T 10 anos.................. 70 x 11. Figura 5.26: Avaliao da dQ x custo de implantao T 25 anos.................. 71 Figura 5.27: Avaliao do volume otimizado e dQ resultante T 10 anos....... 73 Figura 5.28: Avaliao do volume otimizado e dQ resultante T 25 anos....... 74xi 12. LISTA DE TABELAS Tabela 2.1: Medidas estruturais para controle de alagamentos (Simons et al., 1977) .................................................................................................................. 9 Tabela 2.2: Medidas estruturais para controle de alagamentos (Simons et al., 1977)..................................................................................................................11 Tabela 2.3: Tempo de retorno para projetos de drenagem urbana (Fonte: IPH, 2005) ................................................................................................................ 17 Tabela 3.1: Valores de CN adotados para cada uso do solo (Fonte: Tucci, 2009)..................................................................................................................31 Tabela 3.2: Valores de C por tipo de ocupao (Fonte: IPH (2005) adaptado de ASCE,1969 e Wilken, 1978) ........................................................................... 377 Tabela 3.3: Dimetros comerciais (Fonte: IPH, 2005).......................................38 Tabela 4.1: Caractersticas dos principais afluentes da bacia ........................ 434 Tabela 5.1: Anlise da ocupao urbana..........................................................51 Tabela 5.2: Tempo de concentrao de cada sub-bacia.................................. 53 Tabela 5.3: Resultado do dimensionamento dos reservatrios T=10 anos ... 56 Tabela 5.4: Resultado do dimensionamento dos reservatrios T=25 anos ... 57 Tabela 5.5: Relao dos parmetros utilizados na simulao matemtica....58 Tabela 5.6: Restries de volumes de armazenamento .................................. 70 Tabela 5.7: Anlise dos investimentos para reduo de vazo T 10 anos .... 72 Tabela 5.8: Anlise dos investimentos para reduo de vazo T 25 anos .... 73xii 13. LISTA DE SIGLAS BMPBest Management Practices (Melhores Prticas de Gesto)CCoeficiente de escoamento superficialCNCurve NumberCONAMAConselho Nacional de Meio AmbienteCUBCusto Unitrio BsicoDEPDepartamento de Esgotos Pluviais de Porto AlegreIDFIntesidade-Durao-frequnciaIPHInstituto de Pesquisas HidrulicasMNTModelo Numrico de TerrenoNRCSNational Resources Conservation ServicePDDrUPlano Diretor de Drenagem UrbanaPDDUAPlano Diretor de Desenvolvimento Urbano AmbientalPNLProgramao No-LinearPROSABPrograma de Pesquisa em Saneamento BsicoSCSSoil Conservation ServiceTTempo de retornoTcTempo de concentraoUTMUniversal Transverso de Mercatorxiii 14. 1 Introduo O crescimento rpido e descontrolado da urbanizao, principalmente nos pases em desenvolvimento, vem provocando impactos significativos tanto no meio ambiente quanto para a prpria populao. Tais impactos relacionamse com: deteriorao da qualidade da gua, devido falta de tratamento dos efluentes que muitas vezes so lanados in natura nos corpos hdricos; aumento da gerao de resduos slidos e ineficincia de coleta; produo de sedimentos, provocando o assoreamento das sees da drenagem e reduo da capacidade de escoamento de condutos e rios; e aumento da frequncia de alagamentos, que ocorrem pela crescente impermeabilizao do solo. Os alagamentos urbanos, ou somente alagamentos, se caracterizam pelo acmulo de gua decorrente da ausncia e/ou precariedade dos sistemas de drenagem urbana (Tucci, 2007). Estes problemas esto, muitas vezes, ligados falta de planejamento urbano, pois no h um controle do uso do solo, ocorrendo a ocupao de reas de risco e obstruo dos sistemas de drenagem. Assim, os alagamentos urbanos diferem-se das inundaes ribeirinhas, pois estas so um processo natural do ciclo hidrolgico devido variabilidade climtica e ocorrem quando as guas dos rios saem do seu leito menor de escoamento, atingindo o seu leito maior. A existncia de reas altamente impermeabilizadas traz como consequncia o aumento do volume escoado superficialmente (antes da urbanizao e impermeabilizao do solo, uma parcela deste volume era interceptada pela vegetao e infiltrava diretamente no solo), causando aumento nas vazes mximas de at seis vezes a vazo de pr-urbanizao (Tucci et al., 1995), efeito este percebvel nos hidrogramas, onde para um mesmo evento de chuva o tempo de concentrao menor e a vazo de pico maior. Para solucionar estes problemas, tradicionalmente, so realizadas ampliaes de capacidade de escoamento das guas superficiais. Porm, quando as guas da drenagem pluvial so conduzidas rapidamente, ocorre o aumento de alagamentos a jusante. Isto requer novas obras de ampliao da capacidade de escoamento que resolvam esses problemas, tornando as solues mais caras, criando assim um crculo vicioso. 1 15. Dessa forma, surge, ento, a necessidade de alternativas que solucionem ou reduzam os problemas relacionados ao aumento do escoamento superficial, no somente que os transfiram para outro local. Neste sentido, podem-se aplicar as Melhores Prticas de Gesto (Best Management Practices BMPs), medidas que servem no gerenciamento das guas pluviais em reas urbanas. Essas prticas envolvem o uso tanto de medidas no estruturais quanto estruturais. O primeiro grupo se refere quelas medidas que no usam obras de engenharia, pois trabalham em aes sociais que modifiquem o comportamento da populao, atravs de sanes econmicas e programas educacionais. J o segundo uso envolve a implementao de dispositivos como reservatrios (deteno ou reteno), trincheiras de infiltrao, pavimentos permeveis, dentre outros. Estas medidas (estruturais e no estruturais) podem ser usadas para evitar o risco de alagamentos durante eventos de chuva e na reduo da poluio da gua, decorrentes da urbanizao em uma bacia hidrogrfica (Martin et al, 2007). Assim, o emprego destas medidas possibilita a continuidade do desenvolvimento e permite a modulao do sistema de drenagem em funo do crescimento urbano, sem gerar custos excessivos. Alm disso, se forem bem projetadas, passam a contribuir para a melhoria da qualidade de vida nas cidades (Batista et al., 2005). Neste contexto, pretende-se analisar a implantao de bacias de deteno para minimizar os impactos hidrolgicos em uma bacia urbana previamente escolhida. Para isso, sero estabelecidos dois cenrios, um mostrando as condies da bacia antes da urbanizao e outro apresentando como a rea atualmente. Assim, ser feita a anlise do crescimento da urbanizao na rea e quantificao do impacto hidrolgico, isto , aumento na vazo de pico entre um cenrio e outro. Identificado o impacto, ser usado um modelo de simulao hidrolgica aliada a uma tcnica de otimizao, a fim de obter a melhor alternativa de projeto de controle do escoamento pluvial, avaliando seu custo de implantao.2 16. 1.1Relevncia do estudo Tendo em vista o panorama atual de urbanizao descontrolada queocorre em muitas cidades brasileiras, surge cada vez mais a necessidade de encontrar alternativas que revertam essa situao ou que ajudem a minimizar os problemas causados pela impermeabilizao do solo, que ao aumentar o escoamento superficial, pode acarretar em alagamentos urbanos. Dessa forma, conhecer os mtodos e medidas de controle de escoamento de guas pluviais torna-se importante para a concepo de projetos que auxiliaro na minimizao dos problemas relacionados ao aumento os alagamentos. Porm, muitas vezes, a implantao de medidas de controle de escoamento se faz necessria em reas j urbanizadas ou em processo de urbanizao, no entanto tal implantao frequentemente sofre restries significativas com respeito tanto rea disponvel como em termos de capacidade do sistema de drenagem a jusante (Batista et al., 2005). Assim, o conhecimento das caractersticas fisiogrficas bem como o histrico de ocupao de uma bacia hidrogrfica necessrio na escolha das medidas que minimizem os impactos ambientais existentes na bacia. Para tanto fundamental a utilizao de modelos de simulao hidrolgicas, pois eles auxiliam na simulao das condies reais da bacia, e de tcnicas de otimizao, que so capazes de resolver os problemas identificados na simulao, podendo otimizar tanto os custos de implantao quanto o dimensionamento das medidas mais adequadas ao local de estudo. Para minimizar os problemas relacionados a alagamentos em bacias urbanas, tornam-se necessrios tambm estudos que tratem de um dimensionamento preliminar das medidas de controle de escoamento de guas pluviais e que sirvam como material de apoio para que o Poder Pblico e a iniciativa privada possam identificar qual a melhor soluo de controle de escoamentos pluviais em uma bacia urbana, alm de ter informao acerca dos custos de implantao das alternativas. Portanto, para minimizar os efeitos da urbanizao a jusante da bacia, estabeleceu-se que a bacia j urbanizada deve ter um comportamento hidrolgico semelhante condio de pr-urbanizao, isto , a vazo de sada no seu exutrio tem de ser equivalente gerada no cenrio de pr3 17. urbanizao. Para isso, ser utilizado a simulao hidrolgica por meio de modelo matemtico aliado tcnica de otimizao, para a melhor alocao das medidas de controle de escoamento de guas pluviais (bacias de deteno) e minimizao da diferena entre os hidrogramas, assim os impactos causados a jusante sero minimizados. 1.2Objetivo e hiptese Este trabalho tem como objetivo desenvolver um mtodo para avaliar aminimizao do impacto hidrolgico de uma bacia urbanizada para que ela se comporte de maneira hidrologicamente semelhante s condies de prurbanizao, analisando os custos de implantao de reservatrios de deteno para evitar alagamentos jusante. A principal hiptese deste estudo: A otimizao de reservatrios de deteno possibilita a reduo de impactos hidrolgicos devido urbanizao em uma bacia hidrogrfica, de modo que a vazo jusante do seu exutrio seja prxima a de prurbanizao?4 18. 2Fundamentao terica2.1Impactos ambientais em bacias urbanas Segundo a legislao ambiental brasileira, impacto ambiental qualqueralterao das propriedades fsicas, qumicas e biolgicas do meio ambiente, causada por qualquer forma de matria ou energia resultante das atividades humanas que, direta ou indiretamente, afetam a sade, a segurana e o bemestar da populao; as atividades sociais e econmicas; a biota; as condies estticas e sanitrias do meio ambiente e a qualidade dos recursos ambientais (Resoluo CONAMA 001/1986). Ainda, de acordo com Cunha e Guerra (2004), pode-se dizer que impacto ambiental , portanto, o processo de mudanas sociais e ecolgicas causados por perturbao (uma nova ocupao e/ou construo de um objeto novo: uma usina, uma estrada ou uma indstria, por exemplo) no ambiente. Para uma melhor definio do conceito de impacto ambiental, apresentase a seguinte situao: em uma dada regio pretende-se implantar um determinado projeto, o qual ir alterar o funcionamento do sistema natural. Assim, a partir de uma mesma entrada, o sistema ir responder de maneira diferente. A Figura 2.1ilustra este comportamento. Analisando um parmetro ou indicador ambiental, verifica-se que, uma vez iniciado o projeto, este indicador apresenta valor diferente do esperado caso o projeto no houvesse sido iniciado. A esta alterao na sada do sistema, denomina-se impacto ambiental, caracterizando-se pela diferena incremental de uma determinada varivel ambiental, podendo esta variao ser positiva ou negativa. Figura 2.1: Esquema conceitual de avaliao de impacto ambiental (Wathern, 1988)5 19. Como exemplo do comportamento ilustrado acima, pode-se citar a intensificao da populao em reas urbanas depois da dcada de 60, gerando uma populao urbana com uma infra-estrutura inadequada. A proporo da populao urbana brasileira de 84,36%, sendo que alguns estados brasileiros, como So Paulo, este valor j chega a 91% (Tucci, 1999; Batista et al., 2005). Segundo o IBGE, a populao brasileira cresceu quase 20 vezes de 1872 (realizao do primeiro censo demogrfico) at 2010 (ano do levantamento mais recente), fazendo com que a populao rural diminusse ao longo dos anos, conforme mostra a Figura 2.2. Figura 2.2: Evoluo da urbanizao em reas urbanas (em porcentagem) - Brasil (Fonte: Folha de So Paulo 29/04/2011)Neste contexto, com o aumento da populao em reas urbanas, os impactos ambientais podem se intensificar. Assim, tais impactos em bacias urbanas podem ocorrer devido a gestes inadequadas do ambiente urbano, alterando o balano hdrico (Figura 2.3), sendo tambm observadas alteraes fsicas, qumicas e biolgicas. Figura 2.3: Transformao do ambiente pela urbanizao (Tucci,2007, adaptado de Schueler,1987)6 20. A urbanizao causa alteraes no meio ambiente de um modo geral, e especificamente nos processos hidrolgicos, onde se observam redues da interceptao, do armazenamento superficial e da infiltrao, devido ao acrscimo das reas impermeabilizadas. Com o aumento da urbanizao, constata-se uma insustentabilidade dos sistemas de drenagem implantados segundo a abordagem higienista (evacuao rpida dos excessos pluviais por canais e condutos enterrados, transferindo os alagamentos para jusante), levando a alagamentos urbanos cada vez mais frequentes em reas urbanas, com severas implicaes sociais, econmicas e polticas (Baptista et al., 2005). Com relao ao balano hdrico, a urbanizao interfere da seguinte maneira: antes de uma rea ser impermeabilizada, a gua que atingia a superfcie infiltrava no solo ou escoava por sobre o solo at atingir um curso dgua. A gua que infiltra umedece o solo, recarrega os aquferos e cria o fluxo de gua subterrnea. Porm, quando uma determinada regio comea a ser urbanizada, ocorre a impermeabilizao do solo, que impede a infiltrao da gua no solo e ocasiona aumento do escoamento superficial e da velocidade de escoamento. A vazo de pico aumenta e o tempo de concentrao diminui, provocando alagamentos. H tambm uma maior evaporao e menor evapotranspirao, pois as reas verdes diminuem, e aumento da temperatura, uma vez que as superfcies impermeveis absorvem o calor e o devolvem ao ambiente. A Figura 2.4 apresenta os impactos hidrolgicos causados pela urbanizao que interferem no ciclo hidrolgico. Em bacias urbanas, a produo de sedimentos, tanto dos resduos naturais quanto aqueles gerados pela populao, provocam assoreamento das sees da drenagem, reduzindo a capacidade de escoamento de condutos, rios e lagos, tornado os alagamentos mais frequentes. Porm, quando a bacia est completamente ocupada e impermeabilizada, a produo de sedimentos tende a decrescer. A qualidade da gua tambm sofre alteraes, pois com a urbanizao h o aumento da quantidade de lixo depositado em locais inadequados e ligaes clandestinas de esgoto, fazendo com que isso seja transportado pelo escoamento superficial at os corpos dgua, poluindo-os. Alm disso, esta7 21. contaminao pode ocorrer devido ao transporte de poluentes agregados ao poluentes sedimento. Figura 2.4: Impactos hidrolgicos causados pela urbanizao (adaptado de Hall, 1984 apud Porto et al., 2009)Para solucionar os problemas decorrentes da urbanizao, existem vrias medidas de controle que ajudam tanto no controle de escoamento quanto na melhora da qualidade d gua. Salienta se que sero discutidas Salienta-se somente aquelas que controlem o escoamento superficial em bacias urbanas. 2.2Medidas de controle de escoamento em bacias urbanas Novas medidas de controle de escoamento tm surgido ao longo das das mltimas dcadas como uma soluo alternativa ao conceito de drenagem higienista para o gerenciamento de guas pluviais em reas urbanas, e tem como objetivos evitar o risco de alagamentos durante eventos de chuva e reduzir a poluio da gua, usando um conjunto de melhores prticas de gua, gesto (Best Management Practices BMPs) (Martin et al, 2007). Best Practices , As medidas de controle tm como objetivo a reduo da frequncia e a tm gravidade das enchentes, e so definidas quanto sua rea de atuao na rea bacia, conforme apresentado por Tucci, 2005: , 8 22. - Distribuda ou na fonte: definido pelo controle de escoamento que ocorre sobre o lote, praas e passeios; - Na microdrenagem: sistema de condutos pluviais ou canais em um loteamento ou de rede primria urbana. projetado para atender a drenagem de precipitaes com risco moderado; - Na macrodrenagem: o controle sobre os principais riachos urbanos. Pode ser aplicado em reas com mais de 2 km ou onde a tubulao dos sistemas de drenagem tenham mais que 1 metro de dimetro. Dentro das definies descritas acima, a gesto de alagamentos urbanos pode ser obtida a partir da combinao de medidas estruturais e noestruturais, permitindo populao minimizar suas perdas e manter uma convivncia harmnica com o rio, no caso de viver em reas prximas a cursos dgua. As aes incluem medidas de engenharia e de cunho social, econmico e administrativo, descritas a seguir. - Medidas no estruturais: utilizam meios naturais para reduzir o escoamento, no contemplando obras civis, porm trabalham com aes sociais que modifiquem o comportamento da populao, atravs de sanes econmicas e programas educacionais. A tabela 2.1 apresenta alguns exemplos desse tipo de medida. Tabela 2.1: Categorias de medidas no estruturais (adaptado de Manejo De guas Pluviais, PROSAB, 2009) Principais categorias Medidas no estruturais Educao pblicaEducao pblica e disseminao dePlanejamento e manejo da guaSuperfcies com vegetaoEquipe tcnica capacitada Telhados verdes Uso de materiais e produtos qumicosUso de poluentes alternativos noManuteno dos dispositivos deColeta de resduos slidosVarrio das ruas infiltrao nas viasLimpeza dos sistemas de filtrao Manuteno dos canais e cursos dgua Medidas de preveno contra a conexoControle de conexo ilegal de esgotoControle do sistema de coleta de esgoto e Fiscalizao: deteco, retirada e multaReso da gua pluvialJardinagem e lavagem de veculosAlm das medidas citadas na tabela acima, tem-se tambm o zoneamento de reas inundveis, que um instrumento legal de regulao do 9 23. uso do solo que podem estar associado aos tipos de usos, como residencial, de servios, entre outros, e a parmetros de uso, como a densidade de ocupao e as taxas de impermeabilizao permitidas (Prosab, 2005 apud Sarno, 2004). Ao controlar o uso do solo e a densidade de ocupao, tem-se a proteo de reas ambientais sensveis (reas midas); restrio do desenvolvimento em reas de risco natural e restrio na ocupao de reas de interesse para gesto de guas pluviais (delimitaes de reas para a implantao de estruturas de armazenamento e infiltrao). - Medidas estruturais: tem o objetivo de deter e/ou transportar as vazes geradas na bacia atravs de sistemas de engenharia que preveem o controle do escoamento superficial. Elas podem agir diretamente na bacia, por meio de reflorestamento e conservao do solo ou agir no rio, com a construo de diques, reservatrios, alargamento de canais, entre outros. Agindo na bacia pode ocorrer o controle de eroso e modificao das relaes entre precipitao e vazo. J no rio, pode ocorrer o aceleramento, o amortecimento e/ou retardamento, e desvio do escoamento. A Tabela 2.2 apresenta, de forma sucinta, algumas dessas medidas. Dentre elas, est inserida a bacia de deteno, dispositivo a ser utilizado neste trabalho que ser discutido com maior detalhamento a seguir. Alm das medidas apresentadas na tabela 2.2, existem aquelas que so utilizadas em associao com o sistema virio, isto , podem ser utilizadas em canteiros, jardins, terrenos esportivos, estacionamentos e em reas verdes em geral. Como exemplo, tem-se as tricheiras de infiltrao, valas de infiltrao, pavimentos permeveis e poos de infiltrao. Essas tcnicas tm como objetivo o recolhimento das guas pluviais, podendo efetuar ou no seu armazenamento temporrio, favorecendo a sua infiltrao (Batista et al., 2005; Maidment, 1993; Tucci, 2007). Quando h o armazenamento temporrio das guas pluviais, sem infiltrao, as medidas passam a ser chamadas de deteno.10 24. Tabela 2.2: Medidas estruturais para controle de alagamentos (Simons et al., 1977) MedidasVantagensCobertura do soloReduo do pico de cheiasControle da erosoMelhoria de canaisDiques e PoldersReduo da rugosidade e aumento de seo.Reduo da perda de solo e o assoreamento dos rios.Alto grau de proteo de uma rea especfica.Aumento da vazo e da velocidade do escoamento e reduo do nvel.DesvantagensAplicaoImpraticvel em grandes reas e sujeito a outros efeitos, como reduo da vazo mdiaPequenas baciasNo deve ser utilizado para desnveis altos devido ao risco de falhaGrandes rios e na plancie, onde a declividade pequena e a flutuao nos nveis menor.Pode no ser muito eficaz em canais muito largosRios pequenos.Aumento da vazo e da velocidade do escoamento e reduo do nvel.Todos os reservatriosControle das cheias jusante do reservatrio.Localizao difcil devido desapropriao das reas.Reservatrios com comporta se mltiplos usosMais eficiente com o mesmo volume.Vulnervel a erros humanos e mal funcionamento mecnicoProjetos de usos mltiplosReservatrios de detenoReservatriosAlterao da declividade do fundoOperao com reservatrio mantido seco para receber a cheia.Custo no partilhado; dificuldade de controle da rea do reservatrio devido a inundao pouco frequente.Bacias pequenas e mdias; Restrito ao controle de enchentes.Desvio de canaisDesvios2.3Desvio de parte do volume para reas de inundaoReduo da vazo para jusante Amortece o escoamento e diminui a vazoImpacto negativo sobre o regime de um rio, com aumento de potencial erosivorea de inundao estreitaBacias pequenas e intermedirias, dependendo do volume.Bacias grandes. Depende da topografia e dos efeitos para onde a vazo direcionadaBacias mdias e grandes.Reservatrios de deteno Os reservatrios de deteno, conhecidos tambm como bacias dedeteno, so medidas de controle de escoamento usadas para regularizar os excessos de vazo decorrentes do desenvolvimento urbano, permitindo que 11 25. somente a vazo mxima estabelecida de pr-desenvolvimento continue saindo da bacia. Ou seja, reduz a vazo de pico e retarda a taxa de resposta do escoamento superficial. A Figura 2.5 apresenta o efeito de um reservatrio de deteno em uma bacia hidrogrfica: o hidrograma alfuente de um curso dguaentrandonumreservatriocomvolumeV,ondeocorreoarmazenamento da gua e consequente amortecimento do hidrograma de sada e da vazo mxima. Figura 2.5: Efeito do reservatrio de deteno (Fonte: Tucci, 2007)Esse tipo de reservatrio no reduz o volume de escoamento superficial, pois tem como objetivo a reduo do impacto hidrolgico provocado pela impermeabilizao do solo, redistribuindo as vazes a longo de um tempo maior, atravs do armazenamento dos volumes escoados, formando um volume til temporrio e promovendo o amortecimento dos picos de vazo desde a entrada no sistema at a sua sada (Tucci et al., 1995; Tucci, 2009), ou seja, auxiliam no controle de alagamento de reas situadas a jusante. Devido a isso, recomenda-se que o armazenamento das guas de escoamento provenientes de um evento ocorra por tempo curto (Batista et al., 2005), para assegurar o atendimento a esse propsito na eventualidade de ocorrncia de eventos pluviais sucessivos. Basicamente, os reservatrios de deteno so compostos por: 12 26. estrutura de entrada: podem ser por gravidade, quando encontramse acima da cota de armazenamento, ou por bombeamento;corpo de armazenamento: responsvel pela conteno dos volumes, podendo ser construdo no prprio solo.estrutura de descarga ou sada: controlam a vazo de sada, o nvel da gua no reservatrio e o volume retido.dispositivo de extravaso: elemento de segurana do sistema contra eventos de magnitudes maiores, podendo ou no estar acoplado s estrutura de sada.A Figura 2.6 mostra um exemplo de reservatrio de deteno. Figura 2.6: Reservatrio de deteno (Fonte: Maidment, 1993)Em relao aos tipos de bacias de deteno, elas podem ser abertas ou fechadas, enterradas ou no, dependendo da localizao, da rea disponvel, alm do conhecimento de estudos realizados na regio que contemplem a implantao deste tipo de dispositivo. Elas ainda podem ser: on-line/on-stream: so implantadas no prprio leito do curso dgua, com enchimento atravs do transbordamento do leito menor. A Figura 2.7 mostra este tipo de dispositivo implantado na cidade de Porto Alegre.13 27. Figura 2.7: Bacia de deteno on-line Parque Germnia, Porto Alegre, RS (Fonte: Arquivo pessoal)off-line/off-stream: so implantadas nas reas laterais (deteno lateral), com enchimento feito atravs do desvio da gua da drenagem principal quando ocorre a cheia (Figura 2.8).Figura 2.8: Bacia de deteno off-line Ecoville, Porto Alegre, RS (Fonte: Arquivo pessoal)Os reservatrios de deteno, alm de desempenhar a funo de controle de alagamentos, podem destinar-se a usos multifuncionais, tais como 14 28. reas de lazer, espaos para prtica de esportes, composio de projeto urbanstico com valorizao da presena da gua em espao urbano, reservas ecolgicas e controle da poluio pluvial. A combinao entre controle de alagamentos com algum desses usos pode ser feita, pois, como dito anteriormente, o tempo de armazenamento das guas temporrio, assim, quando no ocorrer um evento hidrolgico, pode-se us-la de acordo com as necessidades da regio. Caso o reservatrio de deteno seja implantado sem a integrao de outros usos, importante que se tenha uma manuteno continuada, pois elas podem vir a se tornar reas para o lanamento ilegal de resduos slidos e entulhos. Como qualquer obra de engenharia, os reservatrios de deteno tm as suas vantagens e desvantagens (Urbonas e Sttahre, 1993), sendo elas: custos reduzidos quando comparados a um grande nmero de controles distribudos; custo menor de operao e manuteno, porm tanto o poder pblico quanto proprietrios privados tem obrigaes pesadas quanto sua manuteno; facilidade de administrar na construo; dificuldade de encontrar locais adequados para implantao e custos de aquisio das reas e desapropriaes. 2.3.1 Dimensionamento de reservatrios de deteno O dimensionamento a etapa na qual se determinam a capacidade de armazenamento, tipo de descarga (infiltrao ou no, vazo constante ou no) e o tempo de esvaziamento. Portanto, importante o conhecimento das informaes sobre a bacia de contribuio, o perodo de retorno da precipitao de projeto, os tempos de concentrao, o modelo de transformao chuva em vazo, os hidrogramas afluentes e efluentes e o dimensionamento hidrulico dos dispositivos, podendo estes parmetros e critrios serem adotados ou calculados. Quando se trata de reservatrios de deteno de menor porte, alguns desses itens no possuem consenso no meio tcnico e nem esto devidamente esclarecidos nas legislaes em vigor, ficando a cargo de cada profissional determinar os caminhos a seguir.15 29. Neste sentido, a seguir so comentadas duas informaes necessrias ao projeto das estruturas de deteno: escolha do tempo de retorno e definio da chuva de projeto. Tempo de retorno O risco de uma vazo ou precipitao a probabilidade de ocorrncia de um valor igual ou superior em um ano qualquer. E o tempo ou perodo de retorno (T) definido como o intervalo mdio de tempo decorrido entre duas ocorrncias sucessivas de um dado evento ou sua superao, ou seja, o inverso da probabilidade e constitui um parmetro importante na elaborao de projetos de engenharia hidrulica, pois atravs do seu valor ser definido o grau de segurana associado ao empreendimento (Batista et al., 2005). Quando se considera somente o risco hidrolgico, a imposio de um nvel de risco menor pressupe a adoo de um tempo de retorno maior, o que diminui os prejuzos causados por alguma falha de funcionamento da estrutura. Ento, quando se reduz o risco de um determinado empreendimento, seu dimensionamento corresponde a armazenar um volume maior, implicando na adoo de maiores valores de T no projeto, o que reflete no aumento do custo de implantao da estrutura hidrulica. Porm, considerando as dificuldades e as incertezas para se quantificarem os prejuzos causados pelos alagamentos urbanos e outras falhas dos sistemas pluviais, a escolha do tempo de retorno a ser adotado em projeto fica condicionada a uma anlise simplificada, adotando-se valores de tempos de retorno j tabelados (PROSAB, 2005), conforme Tabela 2.3. Salienta-se que, muitas vezes, a implantao de bacias de deteno se faz necessria em reas j urbanizadas ou em processo de urbanizao, fazendo com que haja restries mais significativas com respeito tanto rea disponvel como em termos de capacidade do sistema de drenagem a jusante, muitas vezes j implantado e insuficiente em relao aos aportes provenientes a montante. Tais restries podem conduzir aceitao de um tempo de retorno de projeto inferior aquele recomendado anteriormente, considerando-se os custos financeiros, critrios sociais e ambientais (Batista et al., 2005).16 30. Tabela 2.3: Tempo de retorno para projetos de drenagem urbana (Fonte: IPH, 2005)SistemaCaractersticaIntervalo Tr (anos)Valor frequente (anos)Residencial2-52Comercial2-552-555-1055-101010-25105-100100rea de prdios Microdrenagempblicos Aeroporto reas comerciais e AvenidasMacrodrenagem Zoneamento de reas ribeirinhasChuva de projeto Para o clculo das vazes de projeto das obras de drenagem pluvial, a precipitao de projeto utilizada como informao hidrolgica de entrada para a gerao do hidrograma de projeto. precipitao de projeto est associado um perodo de retorno pr-estabelecido conforme a importncia da obra. Alm disso, tem-se a durao crtica do evento, que deve ser longa o suficiente para que toda a bacia contribua com o escoamento superficial, ou seja, a precipitao efetiva deve ter durao igual ou superior ao tempo de concentrao da bacia contribuinte. As precipitaes de projeto podem ser determinadas a partir da equao IDF (intensidade-durao-frequncia), que obtida a partir de registros histricos de precipitao de pluvigrafos. Em Porto Alegre, o Departamento de Esgotos Pluviais (DEP) fornece as diretrizes para o clculo da intensidade mxima de chuva em funo da localizao da rea de projeto, atravs das formulaes das equaes IDF obtidas de pluvigrafos distribudos em diferentes locais: Parque da Redeno, 8 DISME (Distrito de Meteorologia), Instituto de Pesquisas Hidrulicas (IPH/UFRGS) e Aeroporto (DEP, 2005). A curva IDF relaciona a intensidade da chuva para uma dada durao t e perodo 17 31. de retorno T. A Figura 2.9 apresenta o conjunto de curvas idf para um posto em Porto Alegre. Figura 2.9: Curvas IDF para a cidade de Porto Alegre, RS (Fonte: Tucci, 2009 apud DMAE, 1972)Assim, a partir do conhecimento das informaes anteriores, segue-se para as metodologias de dimensionamento, ou seja, antes de um projeto definitivo deve-se realizar um dimensionamento preliminar do reservatrio, onde ser estimado o volume do reservatrio, a profundidade mdia, a rea ocupada e o custo de implantao. O projeto executivo de um reservatrio de deteno ser finalizado com o clculo das estruturas de sada, as quais determinaro as vazes efluentes dos reservatrios (Canholi, 2005). Para o clculo dos hidrogramas afluentes so usualmente utilizadas duas metodologias tradicionais: Mtodo Racional e Soil Conservation Service (SCS) O mtodo do SCS foi desenvolvido por uma agncia do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (USDA), conhecida como National Resources Conservation Service. um modelo utilizado para determinar a chuva excedente a partir de uma precipitao conhecida e assim, calcular o hidrograma de escoamento superficial de determinada bacia hidrogrfica (Maindment, 1993; Tucci, 2009). Ambas as metodologias utilizam um nico 18 32. parmetro (Coeficiente de escoamento superficial - C e Curve Number - CN, respectivamente) que retrata as condies da cobertura do solo da bacia hidrogrfica. Segundo estudo realizado por Tassi et al., (2005) que comparou a aplicao destas duas metodologias no dimensionamento de obras hidrulicas na drenagem, concluiu-se que a utilizao do mtodo racional tende a superdimensionar as obras de drenagem urbana, majorando em muito o custo da obra, alm de superestimar os volumes de armazenamento de bacias de deteno. Isto ocorre porque o mtodo no considera a distribuio temporal das vazes. A seguir, so mostrados alguns dos mtodos de estimativa dos volumes em bacias de deteno. O National Resources Conservation Service (NRCS, 1986) desenvolveu um mtodo com base em um grande nmero de simulaes em diversas bacias de deteno com volumes e vazes diferentes, nos EUA. Assim, foi possvel a relao da razo entre as vazes de pico de sada e entrada da bacia de deteno com a razo entre o volume a reservar e o volume de escoamento superficial. Para este mtodo, segue-se a seguinte sequencia de passos: 1. Determinar as vazes de pico de entrada (qi) e sada (q0); 2. Calcular a razo entre q0 e qi; 3. Calcular o volume de escoamento superficial (Vr): Vr = Pef * Ac, onde Pef a precipitao efetiva sobra a rea de contribuio (m) e Ac a rea da bacia de contribuio (m); 4. A partir da Figura 2.10, que apresenta as curvas com distribuio temporal do tipo I e IA e do tipo II e III (tipos padronizados de distribuies temporais de chuva nos EUA), determinar a razo entre VB/Vr;19 33. Figura 2.10: Relao do volume a armazenar/volume de escoamento e vazo de pico de sada/vazo de pico de entrada (Fonte: Silva 2009 adaptado de NRCS, 1986)5. Calcular o volume a reservar (VB): VB = Vr * (VB/Vr). Em Porto Alegre, o DEP (DEP, 2005) recomenda dois mtodos que permitem a estimativa do volume necessrio em funo da rea total da bacia contribuinte ou em funo da rea impermevel incidente na bacia contribuinte (equaes 2.1 e 2.2, respectivamente) de bacias de amortecimento em lote. = 0,02 = 0,0425 Equao 2.1 Equao 2.2onde: VB = volume a ser armazenado (m); Ac = rea da bacia contribuinte (m); AI = rea impermevel existe na bacia contribuinte (m). Salienta-se que a equao 2 foi estabelecida atravs do Decreto Municipal 15.371/2006, que estabelece critrios para o clculo do volume de amortecimento e vazo mxima de sada para lotes com reas inferiores a 100 ha. O DEP recomenda tambm o uso do mtodo da curva-envelope (Urbonas e Stahre, 1993), que um processo iterativo onde o volume do reservatrio dado pela mxima diferena entre os volumes afluentes e efluentes acumulados no tempo. Silveira e Goldenfum (2007) generalizaram o mtodo da curva envelope para uma soluo explcita de pr-dimensionamento de diversos dispositivos de controle de vazes, entre eles as bacias de 20 34. deteno. O mtodo consiste na comparao, ao longo do tempo, da curva de massa dos volumes afluentes bacia de deteno com a curva de massa dos volumes afluentes, e a mxima diferena entre as duas curvas o volume de dimensionamento (Batista et al., 2005). Tassi (2005) desenvolveu um mtodo que calcula o volume necessrio para armazenamento em bacias de deteno em funo do hidrograma de ocupao e da vazo mxima de pr-urbanizao. Porm, para que todo o processo de clculo do volume a ser armazenado fosse simplificado, foram realizadas regresses lineares mltiplas, que resultaram em equaes que contem unicamente a rea impermevel como varivel independente para a determinao do volume especfico. 2.3.2 Uso de reservatrios de deteno na cidade de Porto Alegre, RS No Brasil, como em outros pases, h uma considervel experincia acumulada de empregos de bacias de deteno em contexto urbano, com inicio em meados do sculo passado. Destaca-se aqui o uso deste tipo de estrutura na cidade de Porto Alegre, RS. Em Porto Alegre existem algumas bacias de amortecimento, que foram projetadas com o intuito de controlar as vazes de pico do escoamento superficial para controlar os alagamentos urbanos. Dessa forma, em 1999 foi institudo o PDDUA (Plano Diretor de Desenvolvimento Urbano Ambiental), dentre os quais se destaca o PDDrU (Plano Diretor de Drenagem Urbana), que direciona as novas condutas dos profissionais que atuam em drenagem e no planejamento de obras na cidade. Em 2004 foi publicado o Decreto n 14.786, que estabelece o Caderno de Encargos do DEP, no qual so definidas diretrizes e critrios para projetos, servios, implantao, fiscalizao e conservao do sistema de drenagem pluvial urbana da cidade, alm de diretrizes para os projetos de reservatrios de amortecimento de guas pluviais. E em 2006, foi institudo o Decreto 15.371/06 (Porto Alegre, 2006), que estabelece critrios de projeto para os reservatrios em lotes. Segundo o estudo realizado por Carmona (2008), foi verificado que a rea total que contribui para os reservatrios existentes na cidade de 777,96 ha, gerando um volume especfico mdio geral de 108,32 m/ha. Os 21 35. reservatrios pblicos controlam 309,54 ha, com um volume especfico mdio de 102,32 m/ha, enquanto os reservatrios pblico/privados recebem 442,54 ha (volume especfico mdio de 111,72 m/ha) e os reservatrios privados at o momento esto controlando 25,88 ha (volume especfico mdio de 107,94 m/ha). Em relao aos custos de implantao, at o ano de 2008, foram investidos no municpio de Porto Alegre R$ 7.123.808,04, dos quais 32% (R$ 2.250.569,96) foram pagos pelos geradores do impacto. J o custo de manuteno do sistema de reservatrios nos ltimos 12 anos foi de aproximadamente R$ 1.834.471,87, sendo que somente 5,3% desse valor foram pagos exclusivamente pelos moradores da rea controlada. 2.4Tcnicas de Otimizao aplicadas drenagem urbana Com relao ao dimensionamento de reservatrios, muitas vezes osmtodos utilizados no proporcionam a obteno de uma soluo tima. Assim, na tentativa de se chegar na melhor soluo, pode-se utilizar de duas tcnicas: a simulao, a qual simula o comportamento da realidade que tais problemas representam e a otimizao, que otimiza os processos decisrios que atuam sobre esta realidade (Lanna, 1998). Asimulao tenta representar umcomportamentosobumdeterminadosistema fsico conjuntodee prever seu condies,noapresentando, praticamente, nenhuma exigncia quanto natureza do problema, a no ser a de que ele possa ser formulado matematicamente (Wurbs, 1993). Quando se trata de recursos hdricos, tem-se alguns tipos de modelos de simulao, destacando-se dois: os de transformao de chuva em vazo (simulao de processos hidrolgicos) e os que se referem aos aspectos de dimensionamento e operao de sistemas de recursos hdricos. Porm, os processos de simulao no geram os resultados timos, mas permitem uma representao detalhada e realista do sistema. A busca de uma soluo otimizada a partir de mtodos de simulao teria que ser feita na base da tentativa e erro. Neste sentido, tem-se as tcnicas de otimizao, que buscam identificar uma soluo que otimize uma determinada funo objetivo e que represente 22 36. matematicamente os objetivos de um sistema a serem melhorados. Elas tm, entre suas restries, a representao do modelo matemtico que simula o comportamento do sistema. Os modelos de otimizao so formulados para encontrar os valores de um conjunto de variveis de deciso que otimizem (maximizem e minimizem) uma funo objetivo sujeita a restries. A funo objetivo e as restries so representadas por expresses matemticas em funo das variveis de deciso. Demaneirageral,osproblemasdeotimizaosoformuladosmatematicamente da seguinte maneira: Sujeito a, == 1,2, ,Equao 2.3 Equao 2.5Onde f(x) e g(x) so funes de x com valores reais e os valores do vetor bi so conhecidos.A restrio gi(x), i=1,...m determina a regio vivel dasvarveis de deciso, e as variveis de deciso (X) so os parmetros cujos valores definem uma soluo para o problema. Porm, no existe um procedimento de otimizao geral que possa resolver eficientemente qualquer tipo de problema. A maioria das tcnicas depende da forma e propriedades matemticas da funo objetivo e restries (Vieira, 2007; DAHLQUIST, G.; BJORCK, A., 1974). Na rea de drenagem urbana, alguns trabalhos j foram realizados utilizando-se tcnicas de otimizao, dentre os quais se destacam a programao dinmica e algoritmos genticos. Porm, alm dessas tcnicas, tem-se tambm a programao linear e programao no-linear. Zehn et al. (2004) salientam que muitas pesquisas vem sendo realizadas para resolver os problemas de manejo de guas pluviais utilizando tcnicas de otimizao. Entretanto, quando so usadas tcnicas clssicas de otimizao, a soluo destes problemas pode ser considerada difcil devido complexidade dos problemas ambientais. Muitos estudos mostram que isto requer que sejam formulados problemas mais simples, porm, mesmo que as solues timas encontradas sejam matematicamente possveis, seu uso prtico em projetos reais so frequentemente questionveis. 23 37. Cruz (2004) utilizou o algoritmo SCE-UA (Shuffled Complex Evolution) para a determinao de possveis locais para a implantao de reservatrios de amortecimento nas bacias do Areia e Moinho, em Porto Alegre (RS), buscando as combinaes de volumes de reservatrios e ampliaes de condutos e galerias que apresentassem o menor custo. O uso deste mtodo mostrou grande aplicabilidade e facilidade de lidar com um elevado nmero de variveis de busca em espaos de mltiplos pontos de valor mnimo, obtendo sempre timos globais. Perez-Pedini et al. (2005) formulou uma metodologia para determinar o nmero e localizao timos de melhores prticas de gesto baseadas na infiltrao em uma bacia hidrogrfica para reduzir o pico de vazo na sada da bacia, utilizando algoritmos genticos. A programao dinmica foi utilizada no estudo de Rashid e Hayes (2011) na identificao e priorizao de projetos de sistemas de esgoto, maximizando a sade pblica e outros benefcios e minimizando os custos de transporte do esgoto. Li e Matthew (1990) apresentaram uma metodologia de aplicao da programao no-linear (PNL) em canais circulares para drenagem urbana, desconsiderando bacias de armazenamento. Na funo objetivo, considerou-se a combinao de custos de construo e operao e despesas de manuteno. A PNL muito utilizada na resoluo de problemas de projetos de engenharia na rea de recursos hdricos e consiste na otimizao de uma funo objetivo sujeita ou no a restries, podendo as restries ser nolineares e/ou lineares. Esta tcnica apresenta uma desvantagem na obteno da soluo tima, pois no se tem a certeza de que a soluo tima obtida seja realmente a melhor, isto , muitas vezes chega-se a um timo local ao invs de um timo global. Esta limitao inerente prpria natureza de nolinearidade do problema. A vantagem da PNL est relacionada elaborao do modelo matemtico que descreva o sistema a otimizar, pois uma vez elaborado, nenhuma simplificao necessria em termos de formulao, aumentando a preciso nos resultados obtidos (Cirilo, 1997).24 38. Desse modo, observa-se que, embora existam diferentes tcnicas de otimizao para a soluo de problemas na rea de drenagem urbana, faltam estudos que analisem os custos envolvidos na implantao de qualquer medida que, por exemplo, minimize os problemas de alagamentos em bacias urbanas. Isto pode ser necessrio para que tanto o Poder Pblico quanto instituies privadas tenham acesso a essas informaes e as usem para avaliar as alternativas existentes na soluo deste tipo de problema.25 39. 3 Metodologia A metodologia proposta neste trabalho consiste na elaborao de um modelo de otimizao de minimizao dos impactos relacionados ao escoamento superficial decorrentes da urbanizao em uma bacia hidrogrfica. Para tanto, foi necessria a busca de informaes que possibilitassem a construo da funo de minimizao da diferena de pico de vazo, entre os cenrios de pr-urbanizao e urbanizado (atual), informaes estas que permitiram estabelecer as restries impostas pelas caractersticas fsicas da rea de estudo, as restries de custo associados ao empreendimento e as restries de critrios tcnicos (volume de armazenamento).Para aplicao desta metodologia, foram consideradas somente as bacias de deteno como medidas de controle de escoamento superficial. Primeiramente, utilizou-se um modelo de simulao precipitao-vazo para simulao dos cenrios de urbanizao da rea. Os hidrogramas de sada gerados em cada cenrio serviram para a quantificao dos impactos hidrolgicos (incremento da vazo de pico). A partir disso, as bacias de deteno foram dimensionadas, obtendo diferentes volumes de armazenamento em cada bacia de contribuio. Esses volumes foram ento simulados para obteno dos hidrogramas de sada em cada afluente, permitindo dessa forma a estimativa inicial das melhores alternativas de alocao dos reservatrios na bacia. Com os resultados obtidos acima, estabeleceram-se ento diferentes restries oramentrias por meio de valores mximos de custo objetivando avaliar a quantidade e o volume dos reservatrios necessrios para atingir uma reduo de pico de vazo, na qual a bacia urbanizada seja hidrologicamente semelhante de pr-urbanizao. A Figura 3.1 ilustra a metodologia proposta.26 40. Figura 3.1: Fluxograma metodolgicoObteno de dados: morfologia, uso do solo Escolha dos locais para implantao dos reservatriosModelo de Simulao Hidrolgica Quantificao do Impacto HidrolgicoDimensionamento dos reservatrios (Curvaenvelope)Obteno da vazo de prurbanizaoSimulao Matemtica (Combinao das alternativas) Aplicao do modelo de otimizaoDefinio da F.O.; Definio das Restries; Resoluo do Problema.Anlise dos resultados3.1Estimativa inicial das melhores alternativas de alocao dos reservatrios Modelo de Simulao HidrolgicaCaracterizao fsica da bacia hidrogrfica para a plicao da metodologia3.1.1 Caractersticas morfolgicas Para a delimitao da rea de estudo foi utilizado um modelo numrico de terreno (MNT) criado a parir da base altimtrica de Porto Alegre na escala de 1:1.000, disponvel no site do Laboratrio de Geoprocessamento do Centro de Ecologia da UFRGS. O MNT resultou da interpolao da malha de pontos cotados e curvas de nvel presentes na base altimtrica descrita acima. O interpolador usado, Topo to Raster, est embutido na extenso Spatial Analyst Tools do ArcMap Gis do ESRI (Environmental Systems ResearchInstitute) e utiliza uma tcnica deinterpolao baseada em diferenas finitas interativas e otimizado para ter a eficincia computacional dos interpoladores locais sem perder a continuidade da superfcie proporcionada pelos interpoladores globais. A resoluo do MNT 27 41. gerado foi de 10 m, sendo o mesmo gerado no sistema Universal Transverso de Mercator (UTM). O processo de delimitao da bacia hidrogrfica e obteno da rede de drenagem foi realizado por meio da ferramenta ArcHydro, do software ArcGis ESRI, utilizando o MNT como base para realizar o processamento. Com a realizao destas etapas, foi possvel a delimitao da bacia em sub-bacias e a obteno das caractersticas fsicas da bacia e sub-bacias necessrias para este estudo, tais como: rea da bacia e sub-bacias, comprimento dos afluentes, cota mxima e mnima da bacia e declividades, entre outras. 3.1.2 Uso do solo A caracterizao da ocupao do solo foi estabelecida com base na determinao de doiscenrios: pr-urbanizao e urbanizaoatual(diagnstico) da bacia. Isto serviu para a anlise da evoluo da urbanizao na rea de estudo. Foram utilizados dois tipos de produtos de sensoriamento remoto: fotografias areas e imagens de satlite, pois para a rea de estudo s h esses dois tipos de registros. O uso de dois produtos distintos pode gerar diferenas nos mtodos de classificao, devido qualidade das imagens. A partir disso foram determinadas cinco classes de classificao da rea: mata, campo, solo exposto, gua e zona urbana. Foram escolhidas somente cinco classes, pois foram suficientes para fazer a anlise dos cenrios propostos. A seguir so descritos os passos da classificao para cada cenrio. Cenrio 1 (Pr-urbanizao) A imagem utilizada foi uma fotografia area do ano de 1972 (Metroplan). A imagem foi projetada no sistema de coordenadas UTM, fuso 22S, e ao datum SAD69, em concordncia com o sistema do MNT utilizado na delimitao da bacia. Como a imagem no possua uma boa resoluo, no foi possvel fazer uma classificao supervisionada (automtica). Desse modo, a interpretao foi realizada manualmente, com o uso das ferramentas do software ArcGis ESRI. Cenrio 2 (Urbanizao atual)28 42. A imagem utilizada foi obtida em 2012 a partir de satlite espacial e disponibilizada no Google Earth. Foi realizado um recorte da rea de estudo e, aps isso, procedeu-se o georreferenciamento da imagem, que consiste em atrelar a um sistema de referencia uma imagem ou um mapa, tornando suas coordenadas conhecidas e vlidas dentro deste sistema. Para tanto, se faz necessrio o conhecimento das coordenadas de pontos na imagem a ser georreferenciada, os denominados pontos de controle (Cardoso, 2008). Os pontos de controle, feies fsicas de carter estvel e facilmente identificveis, tais como interseces de ruas, grandes prdios, estacionamentos ou quadras esportivas, foram obtidos atravs da imagem da prpria imagem de satlite do Google Earth. A partir destes pontos, as imagens de satlite foram atreladas ao sistema de coordenadas UTM (Universal Tranverse Mercator), fuso 22S, e ao datum SAD69, em concordncia com o sistema encontrado no MNT utilizado na delimitao da bacia hidrogrfica. Nesta etapa do trabalho utilizou-se o software ArcGis ESRI. Para esta imagem, realizou-se a classificao supervisionada, utilizando-se a ferramenta Multivariate, do Spatial Analyst Tool. 3.2Detreminao do impacto hidrolgico3.2.1 Definio do impacto hidrolgico O impacto hidrolgico foi definido como sendo a diferena entre os hidrogramas de pr-urbanizao (natural) e urbanizao, ou seja, a diferena de vazo de pico entre eles. A Figura 3.2 exemplifica o impacto hidrolgico. Para a quantificao do impacto hidrolgico na regio de estudo foram realizadas as etapas descritas a seguir.29 43. Figura 3.2: Exemplo de impacto hidrolgico3.2.2 Obteno do parmetro Curve Number (CN) Visto que neste trabalho ser utilizado o modelo SCS de transformao de precipitao em vazo, necessrio o conhecimento sobre o parmetro Curve Number (CN), uma vez que ele dado de entrada para o modelo. O parmetro CN depende da classificao hidrolgica do solo (de acordo com seu grupo hidrolgico), tipo e uso do solo e condio da superfcie em relao potencialidade de gerar escoamento superficial, sendo necessrio para a simulao hidrolgica da bacia. Este mtodo foi desenvolvido pelo National Resources Conservation Center dos Estados Unidos (antigo Soil Conservation Service SCS) e tem valores compreendidos entre 0 e 100, sendo que os valores de CN que tendem a 100 so considerados impermeveis e aqueles tendendo a 0 so completamente permeveis. Este parmetro foi tabelado para diferentes tipos de solo e cobertura, e pode ser encontrado em diversos livros de hidrologia (Tucci, 2009; Canholi, 2005). Conforme Campana e Tucci (1999), o uso de imagens de satlite, aliadas ao mtodo SCS, permite a confeco de mapas de uso do solo, que estimem o CN mdio representativo das reas em estudo, servindo como base para conhecimento do comportamento hidrolgico nessas reas. Porm, importante salientar que devido dificuldade de acesso a imagens que representassem as condies anteriores urbanizao da rea de estudo, a 30 44. estimativa do CN foi feita a partir da distribuio dos percentuais das classes de usos de solo definidas previamente. Com a delimitao da bacia e classificao das imagens dos cenrios prestabelecidos, foi possvel obter as percentagens das cinco classes de uso do solo na rea de estudo. O tipo de solo da rea de estudo do tipo B (Campana e Tucci apud Campana e Mediondo, 1994), contendo moderada taxa de infiltraoquando molhados,principalmente desolos moderadamenteprofundos. Os valores de CN para cada tipo de classe considerando o tipo de solo B, foi obtido de Tucci (2009) e encontram-se apresentados na tabela 3.1. Tabela 3.1: Valores de CN adotados para cada uso do solo (Fonte: Tucci, 2009)ClassesCNUso do soloMata60Floresta normalCampo60Campo normalSolo exposto82Terragua98Zona urbana85reas impermeveis reas < 500m3.2.3 Clculo do tempo de concentrao O tempo de concentrao (Tc) o tempo de resposta da bacia hidrogrfica utilizado no clculo de chuvas e hidrogramas de projeto. Existem vrios mtodos utilizados para estimar este parmetro hidrolgico, porm, para este trabalho foram adotados os mtodos de Corps of Engineer e Carter, aplicados respectivamente em bacias rurais (pr-urbanizao) e urbanas, conforme recomendados por Silveira (2005). A adoo de dois mtodos distintos foi necessria uma vez que foram consideradas as mesmas caractersticas em todos os afluentes da bacia, tanto para o cenrio de prurbanizao quanto de urbanizao, devido falta de dados na regio de estudo e impossibilidade de visita em alguns locais da bacia. Alm disso, ambas as frmulas tem como variveis o comprimento do rio principal (L, em km) e sua declividade mdia (S, em m/m), caractersticas essas obtidas a partir da delimitao da bacia hidrogrfica (item 3.1.1). Essas 31 45. frmulas foram testadas com dados referentes a 29 bacias rurais e 32 bacias urbanas, sendo a Corps of Engineer ajustada para valores de rea de 0,11 at 12.000 km. J a frmula de Carter foi ajustada para valores de rea at 11 km (Silveira, 2005). As equaes de Tc utilizadas neste estudos foram: Corps of Engineers: !" = 0,191 $%,&' ( )%,*+ Equao 3.1 Carter: !" = 0,0977 $%,' ( )%,- Equao 3.2 O Tc foi utilizado como dado de entrada no modelo de simulao hidrolgico, que ser descrito a seguir. 3.2.4 Simulao hidrolgica Para a simulao das condies das bacias nos dois cenrios descritos anteriormente (item 3.1.2), foi utilizado o modelo de simulao precipitaovazo IPHS1, disponvel gratuitamente no site do Instituto de Pesquisas Hidrulicas, da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (IPH/UFRGS www.ufrgs.br/iph). O emprego do modelo permitiu a obteno dos hidrogramas de projeto para quantificao do impacto hidrolgico na rea de estudo em funo do crescimento populacional e consequente impermeabilizao do solo. O modelo permite representar o sistema em dois elementos bsicos: bacia e rio. O elemento bacia formado pelos modelos que representam o processo de transformao chuva precipitao-vazo (P-Q). So eles: - Hidrograma de projeto: a precipitao acumulada de projeto foi obtida a partir da IDF do posto IPH (Equao 3.3), da cidade de Porto Alegre, armazenada no banco de dados do prprio programa. =.%+,/.+0 1,234 56*% 1,78Equao 3.3onde: i = intensidade da chuva em mmh-1; T = perodo de retorno (anos); t = durao (minutos). Conforme recomendaes do Manual de Drenagem de Porto Alegre (IPH, 2005), as simulaes foram realizadas para um tempo de retorno (T) de 10 32 46. anos e 25 anos. A durao da precipitao foi adotada como sendo duas vezes o tempo de concentrao do cenrio de pr-urbanizao, permitindo que toda a precipitao atuasse sobre o hidrograma de sada e que ambos os cenrios de simulao tivessem a mesma durao. Ressalta-se o uso das recomendaes do citado manual, devido ao fato da rea de estudo no possuir nenhum documento como referncia e se localizar prxima cidade de Porto Alegre. A distribuio temporal da precipitao realizada atravs do Mtodo de Blocos Alternados, que consiste na determinao das alturas de chuva em cada intervalo de tempo, sendo que a partir do pico so distribudos os valores de lmina de chuva em ordem decrescente alternadamente no sentido esquerda-direita do pico (Tucci et al, 2004). A discretizao adotada neste trabalho foi de 5 minutos. - Separao do escoamento: utilizou-se o mtodo CN do SCS (Soil Conservation Sevice). Os valores de CN foram determinados a partir da classificao de imagens descritas anteriormente; - Escoamento superficial: foi utilizado o mtodo do Hidrograma Triangular do SCS. Neste mtodo, a estimativa da vazo de pico do hidrograma unitrio depende da rea da bacia, intervalo de tempo de clculo, tempo de concentrao da bacia, tempo de base do hidrograma unitrio e tempo de pico do hidrograma unitrio (Maidment, 1993). O mdulo rio formado pelos modelos que representam o processo de propagao em rios, canais e reservatrios. Neste caso, para a propagao nos trechos foi aplicado o mtodo Muskingum-Cunge Linear. Os dados necessrios para a propagao neste mtodo so: - comprimento do trecho de propagao, cota de fundo de montante e jusante: obtidos a partir do MNT da bacia; - altura e largura do canal: estimados a partir de visitas a campo. Foram consideradas as mesmas caractersticas em todos os afluentes da bacia, devido falta de dados na regio de estudo e impossibilidade de visita em alguns locais da bacia; - rugosidade dos sub-trechos: situao tpica de canal natural, sees irregulares, fundo de solo e margens com mato baixo. Coeficiente n de Manning entre 0,035 a 0,040 (Canholi, 2005), sendo utilizado o valor de 0,035. 33 47. 3.3Cenrio de controle de cheias3.3.1 Escolha das bacias de deteno Optou-se pela escolha de reservatrios de deteno por se tratar de uma bacia hidrogrfica intensamente urbanizada e com populao de baixo poder aquisitivo, alm da rea se localizar prximo ao municpio de Porto Alegre, onde a construo deste tipo de estrutura comum e eficiente. Estes dispositivos contribuem para a reduo dos impactos da urbanizao sobre os processos hidrolgicos em bacia hidrogrficas urbanas, redistribuindo as vazes ao longo de um tempo maior, por meio do armazenamento dos volumes escoados, promovendo o amortecimento dos picos de vazo desde a entrada no sistema at sua sada (Canholi, 2005). Dentre os tipos de reservatrios j apresentados anteriormente, foi escolhida a implantao de reservatrios de deteno aberto em grama, pois a construo de reservatrios em concreto envolve um custo maior. De acordo com um estudo realizado por Tucci et al (1998) na cidade de Porto Alegre, este tipo de reservatrio apresentou um custo de implantao da ordem de 3 a 4 vezes inferior em relao a outros reservatrios. 3.3.2 Escolha dos locais para implantao dos reservatrios: Conforme salientado por Baptista et al (2005), a escolha pelo emprego de um ou mais reservatrios depende de critrios relacionados eficincia de amortecimentodecheias,scaractersticasurbansticaslocais,disponibilidade de locais adequados para a implantao de reas de armazenamento e aos requisitos de manuteno dos sistemas implantados. A escolha de vrios locais necessria quando se tem bacias densamente urbanizadas e com poucos locais abertos disponveis, podendo dessa forma trabalhar com a combinao das alternativas, para se chegar ao local ou locais mais adequados implementao deste tipo de dispositivo. Os locais foram identificados a partir de imagem de satlite e visitas a campo, optando-se por reas de contribuio maiores, para que o amortecimento das cheias tivesse mais efeito. Alm disso, verificou-se a existncia de campos esportivos, praas e reas livres que pudessem ser usadas para implantao das medidas de controle, 34 48. constatando-se que essas reas so quase inexistentes e que h ocupao ao longo dos afluentes, em reas de risco de inundao. Dessa forma, devido falta de locais disponveis e estudos detalhados, a exemplo do Plano Diretor de Drenagem Urbana, que orientem acerca dos locais disponveis para implantao de algum tipo de estrutura de controle de cheias ou que contenham informaes sobre as caractersticas hidrolgicas da rea, reas contendo moradias tambm foram escolhidas. Na literatura foi identificado um estudo que apresenta os pontos suscetveis a inundaes na rea de estudo, o Mapa Ambiental Urbano (Fujimoto, 2001). A partir dele, identificaram-se alguns possveis locais para implantao dos reservatrios de deteno. Porm, como o objetivo deste trabalho a minimizao dos impactos a jusante da bacia, os locais que controlariam as inundaes provocadas na bacia no so necessariamente os mesmos para controlar problemas a jusante. Assim, a disponibilidade de reas na bacia estudada restringiu-se ao leito dos arroios, visto que a bacia se encontra intensamente urbanizada e no h muitos locais livres disponveis. Nas reas situadas no leito dos arroios, verificou-se a existncia e grande quantidade de habitaes, em sua grande maioria irregular. 3.3.3 Dimensionamento dos reservatrios Tendo em vista que este trabalho visa implantao de reservatrios de deteno, foi utilizado o mtodo da curva-envelope (rain-envelope-method) para o dimensionamento destas estruturas, o qual recomendado pelo Departamento de Esgotos Pluviais (DEP) de Porto Alegre para a determinao do volume de amortecimento do reservatrio. Este mtodo simples e de aplicao direta a partir dos dados de caracterizao do local de implantao (ndice de capacidade de gerao de escoamento superficial) e da curva IDF (Intensidade-Durao-Frequncia) (Batista et al, 2005). um processo iterativo onde o volume do reservatrio dado pela mxima diferena entre os volumes afluentes e efluentes acumulados no tempo, como mostrado na Figura 3.3.35 49. Figura 3.3: Mtodo da curva-envelope6000Volume (m)5000 4000Volume a ser armazenado3000 2000 1000 0 020406080100120140Tempo (min) Volume afluenteVolume efluenteA rea do reservatrio ajustada at que corresponda ao volume encontrado dividido pela disponibilidade hidrulica, definida prxima a 1 m, considerando-se que se trata do controle de escoamento na microdrenagem (DEP, 2005), alm de estar relacionado com a coleta da rede pluvial. Os custos de incidncia rochosa no foram considerados neste estudo. O volume afluente de entrada calculado pelo Mtodo Racional (clculo de vazo), que vlido para bacias de at 2 km (Tucci, 2009), conforme a Equao 3.4: 9:;= 2,78 = > ? @Equao 3.4onde: C= coeficiente de escoamento (-); A=rea da bacia de contribuio (ha); I= mxima intensidade da precipitao (mm/h); t= tempo de durao da precipitao (s); n= 1, quando A 30ha (-); n= 0,95, quando 30 A 50ha (-); n= 0,90, quando 50 A 200ha (-). O coeficiente de escoamento indica a frao da chuva que chega ao exutrio da bacia considerada por meio de escoamento superficial, sendo estimado pela ponderao do coeficiente de diferentes superfcies (Tucci, 2009). A literatura fornece tabelas com valores destes coeficientes em funo 36 50. do tipo de solo e do seu uso e ocupao (tipo, densidade, cobertura vegetal,...), que so utilizados quando da falta de medidas locais. A Tabela 3.2 apresenta os valores utilizados. Tabela 3.2: Valores de C por tipo de ocupao (Fonte: IPH (2005) adaptado de ASCE,1969 e Wilken, 1978)Descrio da reaCOutros (Mata, parques, reas verdes)0,05 - 0,20Grama/areia (mdio declividade de 2 a 7%)0,10 - 0,15Grama, solo pesado (mdio declividade de 2 a 7%)0,18 - 0,22rea residencial (unidades mltiplas conjugadas)0,60 - 0,75rea comercial/Edificao muito densa0,70 - 0,95O volume efluente calculado pela soma do volume infiltrado e da vazo do descarregador de fundo, apresentada na Equao 3.5: A:;=BCDEF 5 '%%%%+ HIAJ @ Equao 3.5onde: k= condutividade hidrulica saturada (mm/h); Ares= rea do reservatrio (m); t = tempo de durao da precipitao (min); Qdes= vazo de sada do descarregador de fundo (m/s). A condutividade hidrulica utilizada foi de 12,7 mm/h, visto que o estudo realizado por Acioli (2005) se refere ao mesmo tipo de solo da regio de estudo deste trabalho. A vazo de sada do descarregador de fundo o produto da vazo mxima especfica de sada para a rede pblica de pluviais (razo da vazo de pico de pr-urbanizao e a rea da bacia hidrogrfica) e da rea de contribuio do reservatrio. A rea do descarregador de fundo, necessria como dado de entrada no modelo de simulao, calculada com a equao da vazo em orifcio de descarga de fundo do reservatrio (Equao 3.6): HIAJ = =IAJ IAJ K2 Equao 3.6onde: Cdes= coeficiente de descarga; 37 51. Ades= rea de descarga da seo de sada (m); g= acelerao da gravidade (m/s); h= diferena de nvel entre montante e jusante (m). Foram adotados valores variando de 20 a 200% em relao vazo mxima especfica, para se obter, dessa forma, diferentes vazes de descarregadores de fundo e consequentes reas dos descarregadores e dos reservatrios. Assim, resultaram em maiores e menores volumes de armazenamento. Utilizandoestametodologia,determinaram-seosvolumesdearmazenamento necessrios para cada reservatrio e os respectivos dimetros de descarregadores de fundo. No entanto, os dimetros calculados no condizem com as dimenses disponveis no comrcio, por isso, esses valores foram aproximados aos dimetros comerciais (Tabela 3.3), sendo necessrio o clculo do novo volume correspondente a este dimetro, e consequentemente, determinando-se a nova vazo efluente ao reservatrio. Tabela 3.3: Dimetros comerciais (Fonte: IPH, 2005)Dimetro comercial (mm) 25 30 32 40 50 60 100 150 200 300 400 500 600 700 800 Os volumes obtidos do mtodo da curva-envelope foram simulados no IPHS1, utilizando o modelo de propagao em reservatrios por Puls (Tucci et al, 2005). Os dados de entrada necessrios so: caractersticas das estruturas de sada (vertedor e orifcio) e tabela cota-volume do reservatrio.38 52. 3.3.4 Combinao das alternativas de reservatrios Neste item, fez-se uma estimativa inicial das melhores alternativas de alocao dos reservatrios na bacia, realizando-se a combinao das opes de reservatrio em cada afluente. Em seguida, analisaram-se as solues nodominadas em termos de reduo de pico de vazo e custo. Isto se fez necessrio de acordo com o que foi comentado no item 3.2.2 (Escolha dos locais para implantao dos reservatrios). Para a simulao hidrolgica dos dispositivos de controle, considerou-se apenas um reservatrio em cada afluente, isto porque bacia hidrogrfica estudada foi relativamente pequena e a considerao de mais de um reservatrio por afluente se tornou desnecessrio e invivel. Porm, para a gerao de todas as alternativas, incluiu-se, tambm, a opo de no haver reservatrio nos afluentes, mantendo-se a vazo urbanizada de cada afluente. Dessa forma, a partir da simulao foram obtidos os hidrogramas de sada dos reservatrios em cada afluente e das reas de contribuio lateral. Dessa forma, o clculo da diferena dos picos no exutrio da bacia, resultante de cada combinao das alternativas baseou-se na seguinte equao: MH =NO?Q* H5R + H ? 5 S HUV 5 Equao 3.7onde: dQ = diferena entre os picos dos hidrogramas (m.s-1); n = nmero de afluentes; Qai = hidrograma resultante da simulao de reservatrio em cada afluente (m.s-1); Qinc = hidrograma incremental (m.s-1); Qpu = vazo de pico de pr-urbanizao (m.s-1); t = tempo (s). Para se ter uma relao da diferena de pico de vazo dos hidrogramas com o custo total de implantao dos reservatrios, foi ajustada uma funo linear, apresentada na Figura 3.4. Estes valores de custos foram baseados no estudo feito por Carmona (2008), que analisou os custos de reservatrios pblicos abertos em grama, ou seja, estruturas executadas e mantidas com recursos do Municpio. Este tipo de reservatrio restringe-se aos executados como medidas para solucionar problemas crnicos de alagamentos na cidade 39 53. de Porto Alegre. importante salientar que no presente estudo no foram considerados os custos de desapropriao das reas escolhidas para implementao dos reservatrios. Porm, como o valor adotado se refere ao ano de 2008, o mesmo foi convertido para valor presente a partir do indicador de Custo Bsico Unitrio (CUB), que calculado com base nos diversos projetos-padro estabelecidos pela ABNT NBR 12721:2006, levando-se em considerao os lotes bsicos de insumos (materiais de construo, mo-de-obra, despesas administrativas e equipamentos). Os valores do CUB foram obtidos a partir do site do SindusconRS, e trabalhou-se com os valores dos meses de julho de 2008 e julho de 2012. Figura 3.4: Estimativa de do custo (R$) em funo do volume do reservatrio (m)Utilizando a equao apresentada na Figura 15, estimou-se o custo total de cada alternativa de alocao de reservatrios na bacia em funo do volume de armazenamento. Os locais que apresentaram as melhores relaes custo-reduo de pico foram utilizados no modelo de otimizao, descrito a seguir. 3.4Modelo de otimizao3.4.1 Funo objetivo: A funo objetivo foi definida de modo a minimizar a diferena entre o pico de vazo dos hidrogramas decorrentes da simulao dos cenrios, ou seja: 40 54. >WMH = X?Q* HY + HU?Z HUV Equao 3.8onde: dQ= diferena de pico entre os hidrogramas (m.s-1); n= nmero de afluentes; Qp= vazo de pico em cada afluente i (m.s-1); Qpinc= vazo de pico incremental (m.s-1); Qpu = vazo de pico de pr-urbanizao (m.s-1); Conforme visto anteriormente, para cada localizao selecionada os reservatrios foram dimensionados, obtendo-se assim os seus volumes de armazenamento, e simulados hidrologicamente, gerando os hidrogramas de sada em cada afluente. Dos hidrogramas, extraiu-se a vazo de pico correspondente ao volume simulado. Ajustou-se, ento, para cada reservatrio, uma equao do tipo: Qpi=f(V)Equao 3.9onde: Qp = vazo de pico (m/s); V = volume armazenado (m). Este ajuste foi necessrio pois a funo objetivo depende de Qp e as restries so em funo de custo ou volume. Salienta-se aqui a simplificao de se considerar que as vazes de pico ocorrem ao mesmo tempo, devido ao fato de no ter sido possvel o ajuste de funes com o hidrograma resultante de cada volume simulado. Isto implica numa maior segurana de projeto, uma vez que as obras de drenagem so projetadas com as vazes mximas de projeto. 3.4.2Restries: a) Restrio de volume A restrio de volume indica que cada reservatrio pode variar entre ummnimo e mximo, ou seja: [?[]Equao 3.10onde: 41 55. Vi= volume de armazenamento de cada reservatrio (m); Vmini= volume mnimo disponvel em cada reservatrio (m); Vmxi= volume mximo a ser armazenado em cada reservatrio (m). Os limites superiores foram baseados nos resultados obtidos do dimensionamento dos reservatrios (Mtodo da curva envelope). b) Restrio de custo A restrio de custo est associada quantidade de dinheiro disponvel para a implantao dos reservatrios. Logo, VmxCmx/Co, ou seja: *+^+ +?`ab `cEquao 3.11onde: Vmaxi= volume mximo de armazenamento (m); Cmx= custo mximo disponvel para implementao de reservatrios (R$); Co= custo unitrio (R$/m), definido a partir dos custos ajustados na Figura 15; n = nmero de reservatrios. Diferentes valores de custo mximo foram utilizados objetivando avaliar a quantidade e o volume dos reservatrios necessrios para se atingir uma reduo de pico de vazo onde a bacia urbanizada tenha um comportamento hidrolgico semelhante s condies de pr-urbanizao. Alm de analisar os investimentos mnimo e mximo em torno desta reduo, definindo uma margem de tolerncia para a reduo da vazo de pico. c) Restrio de imagem das funes ajustadas Esta restrio assegura que as vazes obtidas a partir do ajuste sejam sempre positivas, j que valores negativos no possuem sentido fsico neste estudo Qpi=f(Vi) 0Equao 3.12onde: Qp = vazo de pico (m/s); Vi= volume de armazenamento de cada reservatrio (m). 42 56. 4Descrio da rea de estudo A rea de estudo localiza se na Regio Metropolitana de Porto Alegre localiza-se(RMPA), no estado do Rio Grande do Sul, entre os municpios de Porto Alegre e Viamo (Figura 4.1) e constitui uma das nascentes da bacia do Arroio Dilvio, ) que cruza grande parte do permetro urbano do municpio de Porto Alegre. Figura 4.1: Localizao da rea de estudoEsta sub-bacia composta por quatro arroios principais (Tabela 4.1), bacia totalizando uma rea de 3,39 Km, sendo a barragem Me d dgua o seu exutrio, a qual est inserida em sua totalidade no Campus do Vale da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). A maior parte da bacia hidrogrfica est localizada no municpio de Viamo, compreendendo a Vila Santa Isabel que abriga mais de 250 mil habitantes. Tabela 4.1: Caractersticas dos principais afluentes da bacia Afluentes Comprimento (Km) Cota mxima (m) Cota mnima* (m) Declividade (%) 1 1.92 276.02 44.59 12.05 2 2.04 242.97 44.59 9.75 3 3.21 235.99 44.59 5.97 4 2.51 1.56 83.63 44.59 * A cota mnima igual a todos os afluentes, pois a confluncia deles acontece no mesmo ponto do exutrio.43 57. A bacia Me Dgua foi subdivida em dezessete sub-bacias conforme as reas contribuintes aos principais caminhos de drenagem. A Figura 4.2 mostra as sub-bacias e suas caractersticas fsicas. Figura 4.2: Caractersticas fsicas das sub-baciasEm termos geomorfolgicos, a rea se localiza na poro sudeste do morro Santana, que um corpo grantico, de forma alongada, sendo formado por K-feldspato e quartzo, alm de ter a presena de biotita a teores muitos baixos (Alves,2000). Este, por sua vez, encontra-se situado no Planalto Uruguaio Sul-rio-grandense, que apresenta uma diversidade morfolgica marcadamente em formas de morros e colinas de dimenses variadas (Suertegaray e Fujimoto, 2004). O clima da regio se caracteriza de acordo com a classificao de Kppen como subtropical mido (Cfa). As temperaturas mdias registradas nos meses mais quentes so superiores a 22C. Observa-se uma grande variabilidade dos elementos do tempo meteorolgico ao longo do ano, com temperatura mdia para o ms mais frio (junho/julho) entre -3C e 18C e superior a 22C no ms mais quente (janeiro/fevereiro), com precipitao medial anual de 1350 mm (Livi, 1999). Processo de urbanizao da bacia O processo de urbanizao na rea da bacia remonta dcada de 1950,com a formao dos primeiros loteamentos (Cardoso, 2011). Segundo Fujimoto (2001), no perodo de 1961 a 1976, foi concluda a construo da Barragem 44 58. Me dgua (Figura 4.3 e Figura 4.4) pelo Departamento Nacional de Obras e Figura 4.4)) Saneamento, tendo como finalidade servido de experimento cientfico s